Захарченко / Захарченко-1 / zvit
.pdf101
Додаток 3.8.1
Розрахунок потенційних обсягів утворення біогазу на полігоні № 5 ПАТ "Київспецтрансу»
У складі дрібної фракції побутових відходів міста Києва, яка може бути відділена на сепараторах сортувально-переробних ліній, 90 % (за масою) становить органічна речовина, яка на 95 % здатна до біологічного розкладання в аеробних та анаеробних умовах. В свою чергу,
органічна речовина включає папір , харчові відходи (87 %), рослинні рештки та інше.
Орієнтовний морфологічний склад дрібної фракції, а також вміст основних хімічних елементів у сухій речовині її компонентів наведено в табл. 3.8.1.1.
Таблиця 3.8.1.1 Морфологічний склад органічної частини побутових відходів м. Києва та вміст основних хімічних елементів у сухій речовині її компонентів
|
м. Київ |
Процентний вміст за масою основних хімічних |
||||||||
|
елементів у сухій речовині органічних компонентів |
|||||||||
Морфологічний склад дрібної фракції |
(2011 р.) |
|||||||||
|
|
ТПВ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Процентний вміст за масою |
Процентний вміст компонентів, що підлягають біоферментації |
С |
Н |
О |
|
N |
S |
Зола |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Папір |
6,0 |
5,0 |
45,40 |
6,10 |
42,10 |
|
0,30 |
0,12 |
6,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Харчові |
87,0 |
86,0 |
41,70 |
5,80 |
27,60 |
|
2,80 |
0,25 |
21,90 |
|
відходи |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дерево |
3,0 |
2,0 |
48,30 |
6,00 |
42,40 |
|
0,30 |
0,11 |
2,90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Текстиль |
1,0 |
0,5 |
46,20 |
6,40 |
41,80 |
|
2,20 |
0,20 |
3,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шкіра, гума |
1,0 |
0,5 |
59,80 |
8,30 |
19,00 |
|
1,00 |
0,30 |
11,60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пластмаса |
1,0 |
0,5 |
67,90 |
8,57 |
10,30 |
|
1,13 |
0,05 |
12,02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кістки |
1,0 |
0,5 |
59,60 |
9,50 |
24,70 |
|
1,02 |
0,19 |
4,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суміш |
100 |
95 |
48,1 |
6,53 |
33,3 |
|
1,18 |
0,15 |
10,74 |
|
компонентів |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
102
Якщо взяти порцію дрібної фракції (надалі за текстом відходів) масою 1 кг при вологості
60 %, при якій вона може вивозитись на полігон, то за наведеними даними можна розрахувати кількість сухої органічної речовини в цій порції, здатної до біологічного розпаду:
950 0,4 0,9 342 (г).
Знаючи процентний вміст в органічній речовині відходів, що захоронюються, та атомні ваги вуглецю (12), водню (1), кисню (16), азоту (14), сірки (32), можна визначити кількість
грам-молей цих елементів в 1 кг ТПВ (табл. 3.8.1.2).
Таблиця 3.8.1.2 Кількість грам-молей основних хімічних елементів в органічній речовині
1 кг дрібної фракції
Хімічний знак |
|
м. Київ (2011 р.) |
Умовне позначення |
||
|
|
|
|||
елемента |
|
|
|
кількості грам-молей |
|
Маса в 1кг ТПВ, г |
Кількість грам-молей |
||||
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
С |
146,34 |
|
12,20 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
Н |
20,25 |
|
20,25 |
b |
|
|
|
|
|
|
|
О |
98,43 |
|
6,15 |
c |
|
|
|
|
|
|
|
N |
8,62 |
|
0,62 |
d |
|
|
|
|
|
|
|
S |
0,82 |
|
0,026 |
g |
|
|
|
|
|
|
|
Всього |
274,46 |
|
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
При захороненні відходи ущільнюються і перекриваються шарами ґрунту, що обмежує надходження кисню (з повітря), тому в тілі полігону відбувається переважно анаеробний процес розпаду органічної речовини, під час якого вивільнюються основні її хімічні елементи,
які в присутності води, що міститься в складі ТПВ (50...60 % за масою) чи проникає через укриття полігону під час атмосферних опадів, утворюють нові хімічні сполуки – такі, як діоксид вуглецю (СО2), метан (СН4), аміак (NH3), сірководень (H2S). Це газоподібні речовини,
які, змішуючись, утворюють біогаз (або смітниковий газ).
Основну хімічну формулу анаеробного процесу можна записати у такому вигляді:
Ca + Hb + Oc + Nd + Sg + |
|
3d 4a 2g 2c b |
H2O |
3d 4a 2g 2c b |
CO2 + |
|||
|
|
8 |
||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
+ |
4a 3d |
2g 2c b |
CH4 + dNH3 + gH2S, |
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
де a, b, c, d, g – кількість грам-молей відповідного хімічного елемента.
103
Знаючи молекулярні маси утворених сполук: СО2 (44), СН4 (16), NH3 (17), H2S (34), H2O
(18) можна визначити маси речовин, що утворяться при розпаді 1кг відходів. Дані таких
розрахунків наведені в табл. 3.8.1.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Щільність газів (при t = 300С) становить: СО2 -1,7596 кг/м3; СН4 - 0,6380 кг/м3; |
NH3 |
- |
||||||||
0,6863 кг/м3; H2S 1,3699 кг/м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Таблиця 3.8.1.3 Баланс мас вхідних та вихідних речовин при анаеробному розпаді |
||||||||||
органічної речовини 1кг дрібної фракції відходів |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вхідні хімічні елементи |
|
|
Вихідні сполуки |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Хімічний |
Маса, г |
Хімічна |
Маса, г |
|
Масова |
|
Об‟єм, м3 |
Об'ємна |
|
|
знак |
формула |
|
частка, % |
|
частка, % |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
146,34 |
СО2 |
235,19 |
|
66,03 |
|
0,1337 |
|
41,56 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
20,25 |
СН4 |
109,78 |
|
30,82 |
|
0,1721 |
|
53,49 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
98,43 |
NH3 |
10,54 |
|
2,96 |
|
0,0154 |
|
4,79 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
8,62 |
H2S |
0,68 |
|
0,0019 |
|
0,0005 |
|
0,16 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
0,82 |
- |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н2О |
81,73 |
- |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Всього |
356,19 |
- |
356,19 |
|
100 |
|
0,3217 |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналіз розрахунків показує таке. При анаеробному розпаді 1кг відходів для утворення вихідних сполук необхідно лише 82 г води. Навіть при досить низькій вологості 40 % в 1кг відходів міститься 400 г води. Тому процес анаеробного розпаду органічної речовини в тілі полігону відбувається і без доступу атмосферних опадів, тобто при водонепроникному укритті.
Частина води при цьому утворює фільтрат. Утворення біогазу та фільтрату на полігоні залежить від видів матеріалів, які там складуються, їх фізико-хімічних і біологічних властивостей, режиму експлуатації полігона, кліматичних умов тощо.
Анаеробний розпад органічної речовини в тілі полігону продовжується кілька десятиліть,
причому інтенсивність цього процесу досягає максимуму вже через 1 рік після закриття відходів ізолюючим шаром ґрунту і перебуває практично на одному рівні протягом 5...6 років,
а далі плавно спадає. Для практичних розрахунків можна вважати, що 42,5 % біогазу виділяється за перші 6 років і ще 57,5 % – за наступні 15 [7].
104
Розрахунок обсягів утворення біогазу на полігоні № 5, де будуть захоронюватись відходи (відсіяна на сепараторах дрібна фракція) м. Києва в розрахунковий термін Схеми (2012...2028 рр.) та до 2053 р. проведений у наступному порядку.
Річна кількість відходів, що поступають на полігон, визначається за формулою: М m ч (кг),
де m – загальна маса річних обсягів побутових відходів, які утворюються в м. Києві; ч – частка днібної фракції у цих відходах (0,43).
Річна інтенсивність утворення біогазу gmах (з річної кількості вивезених) ТПВ розрахована за формулою:
0,4253 M Vc /5,5 (м3/рік),
де Vc = 0,3217 м3/кг – об‟єм біогазу, що утворюється з 1кг відходів.
Дані розрахунків з обсягів захоронення відходів і утворення біогазу на полігоні № 5 наведені в табл. 3.8.1.4.
На рис. 3.8.1.1 наведено графік залежності відносної інтенсивності сумарного утворення біогазу Q на полігоні від часу, за умови безперервного складування відходів і подальшого його закриття через 20 років.
105
Таблиця 3.8.1.4 Обсяги захоронення відходів і утворення біогазу за роками експлуатації на полігоні № 5
Рік від |
Захоронено |
Сереньорічна |
Утворено біогазу |
Процент |
Відносна |
початку |
відходів на |
інтенсивність |
від початку |
від |
інтенсивність |
складування |
кінець |
утворення |
складування (на |
сумарних |
утворення |
(від 2012 р.) |
року, млн. |
біогазу, млн.. |
кінець року) млн. |
обсягів |
біогазу (на |
|
т |
м куб/рік |
м куб |
|
кінець року) |
|
|
|
|
|
|
1 |
0,50 |
6,20 |
6,20 |
0,19 |
1,00 |
2 |
1,00 |
18,60 |
24,80 |
0,76 |
2,00 |
3 |
1,50 |
31,00 |
55,80 |
1,72 |
3,00 |
4 |
2,00 |
43,40 |
99,20 |
3,05 |
4,00 |
5 |
2,50 |
55,80 |
155,00 |
0,20 |
5,00 |
6 |
3,00 |
68,20 |
223,20 |
6,87 |
6,00 |
7 |
3,50 |
80,60 |
303,80 |
9,35 |
7,00 |
8 |
4,00 |
92,10 |
395,90 |
12,18 |
7,93 |
9 |
4,50 |
102,50 |
498,40 |
15,34 |
8,77 |
10 |
5,00 |
112,10 |
610,50 |
18,79 |
9,54 |
11 |
5,50 |
120,80 |
731,30 |
22,50 |
10,24 |
12 |
6,00 |
128,75 |
860,05 |
26,46 |
10,88 |
13 |
6,50 |
135,85 |
995,90 |
30,64 |
11,46 |
14 |
7,00 |
142,10 |
1138,00 |
35,02 |
11,96 |
15 |
7,50 |
147,50 |
1285,50 |
39,56 |
12,40 |
16 |
8,00 |
152,10 |
1437,60 |
44,24 |
17,26 |
17 |
8,50 |
155,85 |
1593,45 |
49,03 |
13,07 |
18 |
9,00 |
158,75 |
1752,20 |
53,92 |
13,30 |
19 |
9,50 |
160,85 |
1913,05 |
58,87 |
13,47 |
20 |
10,00 |
162,10 |
2075,15 |
63,85 |
13,57 |
21 |
10,00 |
156,25 |
2231,40 |
68,66 |
12,60 |
22 |
10,00 |
143,75 |
2375,15 |
73,08 |
11,59 |
23 |
10,00 |
131,25 |
2506,40 |
77,12 |
10,58 |
24 |
10,00 |
118,75 |
2625,15 |
80,78 |
9,58 |
25 |
10,00 |
106,25 |
2731,40 |
84,05 |
8,57 |
26 |
10,00 |
93,75 |
2825,15 |
86,93 |
7,56 |
27 |
10,00 |
82,35 |
2907,50 |
89,47 |
6,64 |
28 |
10,00 |
71,10 |
2978,60 |
91,65 |
5,73 |
29 |
10,00 |
60,00 |
3038,60 |
93,50 |
4,84 |
30 |
10,00 |
50,45 |
3089,05 |
95,05 |
4,07 |
31 |
10,00 |
41,70 |
3130,75 |
96,34 |
3,36 |
32 |
10,00 |
33,75 |
3164,50 |
97,37 |
2,72 |
33 |
10,00 |
26,70 |
3191,20 |
98,20 |
2,15 |
34 |
10,00 |
20,45 |
3211,65 |
98,82 |
1,65 |
35 |
10,00 |
15,00 |
3226,65 |
10,92 |
1,21 |
36 |
10,00 |
10,45 |
3237,10 |
99,61 |
0,84 |
37 |
10,00 |
6,70 |
3243,80 |
99,81 |
0,54 |
38 |
10,00 |
3,75 |
3247,55 |
99,93 |
0,30 |
39 |
10,00 |
1,70 |
3249,25 |
99,98 |
0,14 |
40 |
10,00 |
0,60 |
3249,85 |
100,00 |
0,05 |
Всього |
10,00 |
|
3249,85 |
|
|
106
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2012 |
2014 |
2016 |
2018 |
2020 |
2022 |
2024 |
2026 |
2028 |
2030 |
2032 |
2034 |
2036 |
2038 |
2040 |
2042 |
2044 |
2046 |
2048 |
2050 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Роки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3.8.1 Залежність інтенсивності утворення біогазу на полігоні № 5 від часу |
|
|
|
|
|||||||||||